傅立葉變換光譜儀的研究現(xiàn)狀與光譜信息分析原理

李承澤+陳成

（1.東北師范大學(xué)附屬中學(xué)，長春 130000 ；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100000）

[摘 要] 近年來，隨著一些高新科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的出現(xiàn)和發(fā)展，如空間探測、資源勘探、環(huán)境監(jiān)控、氣象監(jiān)測、生命科學(xué)、生物工程、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、納米科技等領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程應(yīng)用，由于其特殊的應(yīng)用環(huán)境和使用需求，對于傅立葉變換紅外光譜儀器提出了迫切的使用需求。本文針對傅立葉變換光譜儀進(jìn)行了深入的調(diào)研并詳細(xì)分析了傅立葉變換紅外光譜儀捕獲的研究現(xiàn)狀與光譜信息分析原理，為未來科研人員研制新型傅立葉變換紅外光譜儀提供原理與技術(shù)支持。

[關(guān)鍵詞] 紅外光譜儀；光譜信息；信息處理

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 05. 043

[中圖分類號] O433.1；O438.2 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2017）05- 0079- 05

紅外光譜可以用于定性分析，也可以用于定量分析，還可以對未知物進(jìn)行剖析。紅外光譜的應(yīng)用范圍十分廣泛，可以說，對于任何樣品，都可以得到一張紅外光譜。對固體、液體或氣體樣品，對單一組分的純凈物和多種組分的混合物都可以用紅外光譜進(jìn)行測定。紅外光譜可以用于有機(jī)物、無機(jī)物、聚合物、配位化合物的分析，也可以用于復(fù)合材料、木材、糧食、飾品、土壤、巖石、各種礦物、包裹體等的分析。因此，紅外光譜是科研和工程領(lǐng)域必不可少的分析技術(shù)，在化工、冶金、地礦、石油、煤炭、醫(yī)藥、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、海關(guān)、寶石鑒定、文物、公檢法等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。光譜信息的采集與分析主要使用光譜儀實現(xiàn)。光譜儀可實現(xiàn)對物質(zhì)結(jié)構(gòu)及組分進(jìn)行高精度光譜分析，是現(xiàn)代化科技至關(guān)重要的基本檢測工具和精密分析手段。光譜儀基于光的空間色散原理或調(diào)制干涉原理，將光按一定的規(guī)律進(jìn)行不同頻率的分解，通過對光的各個波長進(jìn)行能量測定，即輻射波長能量分布特性，將不同波長或頻率的光強(qiáng)度分布記錄為光譜圖。根據(jù)工作原理不同，可將光譜儀分為三類：色散型光譜儀，濾光片型光譜儀和傅里葉變換光譜儀。濾光片型光譜儀不能獲得足夠?qū)挼墓庾V范圍，其實際應(yīng)用范圍也非常有限，相比于色散型光譜儀，傅里葉變換光譜儀具有高通量和多通道的固有優(yōu)點。

近年來，隨著一些高新科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的出現(xiàn)和發(fā)展，如空間探測、資源勘探、環(huán)境監(jiān)控、氣象監(jiān)測、生命科學(xué)、生物工程、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、納米科技等領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程應(yīng)用，由于其特殊的應(yīng)用環(huán)境和使用需求，對于光譜儀提出了迫切的使用需求。本文針對傅立葉變換光譜儀進(jìn)行了深入的調(diào)研并詳細(xì)分析了傅立葉變換紅外光譜儀捕獲的研究現(xiàn)狀與光譜信息分析原理，為未來科研人員研制新型傅立葉變換紅外光譜儀提供原理與技術(shù)支持。

1 傅立葉變換光譜儀

光譜儀是用于測定被研究的光輻射的頻率特性、強(qiáng)度特性及其變化規(guī)律的光學(xué)儀器。光譜儀器應(yīng)用光學(xué)空間色散原理或光學(xué)調(diào)制干涉原理，將被研究的不同頻率成分的光輻射按照一定的規(guī)律分解，通過測定各個波長的光輻射所具有的能量，即輻射能量按波長的分布特性，把分解的光輻射強(qiáng)度按照波長或頻率的分布記錄和顯示為光譜圖。

1.1 光譜儀器的分類與組成

光譜儀器按照其光譜分解的工作原理的不同，可以將其分為空間色散光譜儀和調(diào)制干涉光譜儀?？臻g色散光譜儀是基于空間色散原理實現(xiàn)光譜分離的，而調(diào)制干涉光譜儀是建立在調(diào)制干涉原理上實現(xiàn)光譜分離的。空間色散光譜儀根據(jù)分光元件的不同，又可以分為棱鏡色散光譜儀、光柵色散光譜儀和多光束干涉色散光譜儀；調(diào)制干涉光譜儀根據(jù)調(diào)制方式的不同，又可以分為時間調(diào)制干涉光譜儀和空間調(diào)制干涉光譜儀。以上幾種類型光譜儀器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 傅里葉變換光譜儀

傅里葉變換光譜儀是光譜儀重要的分支，其工作過程主要分為兩步：第一步是將目標(biāo)物體的輻射光經(jīng)干涉系統(tǒng)進(jìn)行頻率域的調(diào)制，產(chǎn)生干涉圖；第二步是通過對干涉圖進(jìn)行傅里葉變換得到目標(biāo)物體的光譜。干涉圖和復(fù)原光譜之間的傅里葉變換關(guān)系也是傅里葉變換光譜儀這一名稱的由來。干涉圖通過掃描動靜和定鏡反射的具有一定光程差的兩束光發(fā)生干涉獲得，入射光信號被一個與掃描動靜位置有關(guān)的函數(shù)所調(diào)制。

2 傅立葉變換光譜儀的發(fā)展現(xiàn)狀

傅立葉變換光譜技術(shù)在其出現(xiàn)的一百多年間得到了迅猛的發(fā)展，特別是20世紀(jì)60年代以后，隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和快速傅里葉變換算法的發(fā)現(xiàn)和傳播，讓傅里葉變換光譜儀完成了從實驗室到實際工程應(yīng)用的完美轉(zhuǎn)身。傳統(tǒng)拉曼光譜儀中使用的光電倍增管或硅光電二極管在1 000nm波長處效率為零。而傅里葉變換光譜儀能夠有效的對中波紅外的拉曼光譜進(jìn)行測量，有效的彌了補(bǔ)這一空缺，充分的體現(xiàn)了傅里葉變換光譜儀在弱輻射探測領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢和應(yīng)用潛質(zhì)。

傅立葉變換光譜儀按調(diào)制原理可以分為時間調(diào)制型和空間調(diào)制型兩種。其具有多通道、高通量、波數(shù)示數(shù)精度高和雜散光低等優(yōu)點，既可以檢測固體、液體或氣體樣品，也可以對無機(jī)物、有機(jī)物、聚合物、配位化合物等進(jìn)行定性或定量分析，可以對未知物進(jìn)行檢測，并能對弱輻射光譜目標(biāo)物體實施有效探測，使得其在監(jiān)視全球污染與災(zāi)害、探測中層大氣微量成分以及未知物的探測與識別等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。因此，自20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)外一些著名的科研機(jī)構(gòu)開始了傅里葉變換光譜儀的研究。

2.1 時間調(diào)制型傅里葉變換光譜儀

時間調(diào)制型傅里葉變換光譜儀主要基于Michelson干涉儀原理，通過驅(qū)動系統(tǒng)推動反射鏡掃描產(chǎn)生光程差，實現(xiàn)光在頻率域的調(diào)制，經(jīng)過雙光束干涉得到干涉圖。掃描動鏡的驅(qū)動方式有靜電驅(qū)動、電磁驅(qū)動以及熱電驅(qū)動等。

2009年，法國國家科學(xué)研究院和以色列特拉維夫大學(xué)的R. Grille和T. Lewi等人合作研究了基于角反射鏡的時間調(diào)制型傅里葉變換光譜儀。如圖2所示，干涉系統(tǒng)基于Michelson干涉儀原理，所不同的是使用了兩個離軸的角反射鏡代替了原來的定鏡和掃描動鏡，這樣可以降低兩個反射鏡的旋轉(zhuǎn)精度要求。系統(tǒng)采用黑體作為光源，輻射光首先經(jīng)過一個斬波器進(jìn)行調(diào)制，之后通過一個拋物面鏡進(jìn)入干涉系統(tǒng)，干涉系統(tǒng)中使用了兩個KBr分束器，便于使用激光器對干涉系統(tǒng)進(jìn)行參考定位和進(jìn)行單色測量，動鏡的掃描距離為2mm，掃描精度為70nm，系統(tǒng)的工作波段為5μm-7μm，光譜分辨率為10cm-1。

同一年，美國佛羅里達(dá)大學(xué)Lei Wu和Andrea Pais等人研制了基于靜電驅(qū)動MEMS反射鏡的時間調(diào)制傅里葉變換光譜儀。如圖3所示，動靜驅(qū)動裝置由兩個剛性框架和三個Al/SiO2雙壓電晶片串聯(lián)組成，可對掃描動鏡進(jìn)行傾斜和橫向偏移補(bǔ)償，動靜掃描范圍為261μm，分辨率為19.2cm-1。

2010年，美國克羅拉多大學(xué)和波蘭托倫哥白尼大學(xué)Florian Adler， Piotr Mas1owski等人合作提出了基于寬譜段頻率梳的中波紅外傅里葉變換光譜儀。其結(jié)構(gòu)如圖4所示，頻率梳的中心頻率從2 100cm-1到3 600cm-1（約為2.8μm-4.8μm）范圍內(nèi)可調(diào)，其模間隔為136MHz，實時光譜覆蓋范圍在2 300cm-1時為50cm-1，在3 500cm-1時為400cm-1。一個波長780nm的銣半導(dǎo)體激光器被耦合到光路中用來對光譜信號的頻率進(jìn)行校正。系統(tǒng)光譜分辨率優(yōu)于0.056cm-1。

2011年，德國布萊梅大學(xué)和德國光電研究中心的Vladislav Jovanov和Eerke Bunte等人合作提出了基于Fabry-Perot干涉儀和超薄部分透射光電探測器的透明傅里葉變換光譜儀。其結(jié)構(gòu)如圖5所示，系統(tǒng)將一個由兩個低反射率平行反射鏡組成的Fabry-Perot干涉儀和一個部分透射光電探測器進(jìn)行集成，這種超薄部分透射光電探測器為系統(tǒng)的核心部件，是由兩層透射傳導(dǎo)氧化層和p-i-n光電二極管組成。通過改變兩個平行反射鏡之間的距離實現(xiàn)光的調(diào)制，產(chǎn)生的干涉圖被位于Fabry-Perot干涉儀之后的光電二極管所記錄。系統(tǒng)的光譜范圍為380nm -680nm，光譜分辨率為2.8cm-1。

2013年，美國空間動力實驗室和NASA蘭勒研究中心的Harri Latvakoski和Martin G. Mlynczak等人合作研制了用于在大氣對流層測地球熱輻射光譜的長波紅外傅立葉變換光譜儀。這是迄今為止唯一能夠在地球軌道直接觀測地球長波紅外光譜的光譜儀，儀器結(jié)構(gòu)如圖6所示。儀器基于傳統(tǒng)Michelson干涉儀原理，系統(tǒng)干涉圖使用雙邊采樣的方式，動鏡的掃描范圍約為±0.78cm，即最大光程差約為1.55cm，采樣周期約為15s，為了提高采樣精度，系統(tǒng)中使用了一個標(biāo)準(zhǔn)的He-Ne激光器對采樣位置進(jìn)行了定位。

2014年，德國魯爾大學(xué)的Jie Lin， Carsten Kotting等人報道了基于傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀的改進(jìn)型傅立葉變換光譜儀。采樣室通過一個XeCl激光控制反應(yīng)的開始和關(guān)閉。系統(tǒng)可以通過反射鏡組的移動實現(xiàn)多譜段的探測。系統(tǒng)工作的中心波長為1 143cm-1。

在國內(nèi)研究方面，2009年，西安交通大學(xué)和西安光機(jī)所合作提出了基于楔形棱鏡的時間調(diào)制型傅立葉變換光譜儀。系統(tǒng)使用可移動的楔形棱鏡代替了傳統(tǒng)Michelson干涉儀中的掃描動鏡，使用一個固定楔形棱鏡進(jìn)行光程差的補(bǔ)償，兩個楔形棱鏡所用材料相同，為了補(bǔ)償由于兩個楔形棱鏡所帶來的色散，在分束系統(tǒng)和另一路平面反射鏡之間插入了一塊補(bǔ)償板。由于系統(tǒng)光程差小于楔形棱鏡移動距離的兩倍，因此系統(tǒng)對于光程差的非均勻采樣的靈敏度要遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)Michelson干涉儀。系統(tǒng)工作波段為可見光波段。

時間調(diào)制型傅立葉變換光譜儀具有光譜分辨率高的優(yōu)點，可實現(xiàn)高精度的光譜測量，目前對這類光譜儀的研究已經(jīng)比較成熟，很多都已經(jīng)投入市場應(yīng)用。但是該結(jié)構(gòu)需要精密的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，使得儀器的體積和重量大幅增加，同時系統(tǒng)的可重復(fù)性、穩(wěn)定性和實時性較差，對于快速變化的目標(biāo)物體不能實施有效的檢測。

2.2 空間調(diào)制型傅立葉變換光譜儀

空間調(diào)制型傅立葉變換光譜儀是隨著面陣探測器的飛速發(fā)展而出現(xiàn)的，系統(tǒng)不含可動部件，具有結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性強(qiáng)，實時性好等優(yōu)點。因此，空間調(diào)制型傅立葉變換光譜儀從一出現(xiàn)就得到了人們的極大關(guān)注。1992年，德國科學(xué)家J. Linkemann 等人將傳統(tǒng)Michelson干涉儀中掃描動鏡用傾斜平面鏡代替，從而實現(xiàn)了光程差的空間調(diào)制，獲得了靜態(tài)雙光束干涉模型的干涉圖。該結(jié)構(gòu)成功去除了掃描動鏡及其驅(qū)動結(jié)構(gòu)，但存在一個顯著缺點是在干涉圖的采樣過程中能量利用率過低。此后不久，美國科學(xué)家K. D. Moller對這一問題進(jìn)行了深入的分析和討論，并給出了一種基于多級微反射鏡的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，有效解決了這一問題。

2002年，日本北海道大學(xué)的Gao Zhan提出了基于三角共光路干涉儀和兩個完全相同球面反射鏡的靜態(tài)反射式傅立葉變換光譜儀。其結(jié)構(gòu)如圖7所示，由于系統(tǒng)中的兩個球面反射鏡能折疊光程差，因此系統(tǒng)具有緊湊的結(jié)構(gòu)。同時，除了分束器之外，系統(tǒng)全部采用反射式結(jié)構(gòu)，因此可以覆蓋較長的工作波段。系統(tǒng)工作波段為380nm-1 100nm，系統(tǒng)的光譜分辨率為329cm-1。

2005年，法國巴黎南大學(xué)法和法國國家航空航天研究部門合作研究了用于戰(zhàn)場探測和地表物質(zhì)輻射探測的制冷型空間調(diào)制傅立葉變換紅外光譜儀。如圖8所示，該儀器基于傳統(tǒng)Michelson干涉儀原理，結(jié)合離軸四反或離軸六反系統(tǒng)，由于系統(tǒng)除分束器外全使用全反射式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)具有較寬的工作波段，為2.9μm-9.6μm，系統(tǒng)的光譜分辨率優(yōu)于8cm-1（7nm@2.9μm， 70nm@9.6μm）。

2011年，法國國家航空航天局和巴黎南大學(xué)的Frédéric Gillard和Sidonie Lefebvre等人提出了一種利用光楔產(chǎn)生光程差的靜態(tài)傅立葉變換光譜儀。如圖9所示，該結(jié)構(gòu)將一個紅外面陣列探測器與楔形棱鏡進(jìn)行集成，利用光楔產(chǎn)生光程差，可以用于紅外探測。首先，在CdZnTe基底上對HgCdTe二極管進(jìn)行沉積，再將 CdZnTe基底加工成楔形。經(jīng)過兩次折射的光與經(jīng)過兩次反射的光在HgCdTe與CdZnTe界面處相干，形成干涉條紋。二極管產(chǎn)生的信號經(jīng)銦片傳輸，最后由讀出電路輸出。HgCdT紅外探測器的像元數(shù)為320×256，像元尺寸為30μm×30μm，探測光譜范圍為3-5μm，光譜分辨率為16cm-1。

2013年，華盛頓大學(xué)的Chu-Yu Huang和 Wei-Chih Wang提出了基于雙折射直角棱鏡的空間調(diào)制傅立葉變換光譜儀。其結(jié)構(gòu)原理如圖10所示，直角棱鏡由單軸雙折射材料制作而成。一個位于準(zhǔn)直透鏡焦點上的針孔光闌被用來產(chǎn)生點光源，準(zhǔn)直光束經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡和雙折射棱鏡之間的偏光鏡之后變成與豎直方向成45°的偏振光，光束經(jīng)過直角棱鏡后產(chǎn)生90°反轉(zhuǎn)，之后經(jīng)過一個與豎直方向成45°的檢偏鏡對被雙折射棱鏡分開的兩束偏振光進(jìn)行重組，產(chǎn)生的干涉圖被記錄在一個線陣CCD上。系統(tǒng)的中心波長為640nm，光譜分辨率為0.2nm。

國內(nèi)研究方面，2009年，華東電子測量儀器研究所和中北大學(xué)合作研究了基于等效斜楔干涉具和線陣CCD 的小型靜態(tài)傅立葉變換光譜儀，其光學(xué)部分由一個柱面鏡和等效斜楔干涉具組成，等效斜楔干涉具由一個等腰直角棱鏡和一個非等腰直角棱鏡膠合而成，通過兩個棱鏡反射面角度的不同實現(xiàn)光程差的調(diào)制而產(chǎn)生干涉圖。系統(tǒng)工作波長范圍為400nm-1 100nm，光譜分辨率為1.17nm@400nm和8.85nm@1 100nm。

2011年，上海技物所研究了一種基于視場補(bǔ)償雙折射棱鏡的靜態(tài)傅立葉變換光譜儀，系統(tǒng)用一個Savart偏光鏡取代了傳統(tǒng)Michelson干涉儀中的分束系統(tǒng)。Savart偏光鏡由兩個外形尺寸完全一致的單軸晶體平行平板按45°光軸相互垂直膠合而成，如圖11所示，光束經(jīng)過Savart偏光鏡之后產(chǎn)生雙折后被分成具有特定相位差的相互平行的兩束光，經(jīng)匯聚透鏡之后在探測器上獲得干涉圖。儀器的工作波段為400 nm-1 100nm，光譜分辨率為55cm-1。

2013年，重慶大學(xué)的陳建軍和朱永等提出了一種基于MEMS微鏡的小型化傅立葉變換光譜儀。系統(tǒng)使用了可編程MEMS微鏡和一個改進(jìn)型的Michelson干涉儀，去除了傳統(tǒng)Michelson干涉儀中的動鏡掃描系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理如圖12所示。準(zhǔn)直光束經(jīng)干涉系統(tǒng)調(diào)制之后產(chǎn)生干涉圖，可編程MENMS微鏡將不同光程差的相干光反射到不同的單點探測器上被記錄下來得到干涉圖。系統(tǒng)光譜范圍600nm-1 750 nm，光譜分辨率20cm-1。

2014年，北京理工大學(xué)的廉玉生和廖寧放等提出了一種光譜分辨率可調(diào)的空間調(diào)制型傅立葉變換光譜儀。系統(tǒng)使用兩個角反射鏡代替了傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀中的定鏡和掃描動鏡，從狹縫上出射的具有相同角度的光被角反射鏡橫向剪切為兩部分，之后聚焦到焦平面探測器上，兩橫向剪切光束的光程差隨狹縫光束出射角的變化而變化，從而在探測器上得到干涉圖。系統(tǒng)可以通過旋轉(zhuǎn)分束器來改變兩束相干光的最大光程差，從而實現(xiàn)對儀器分辨率的調(diào)節(jié)。

空間調(diào)制傅立葉變換紅譜儀依靠空間位置的不同產(chǎn)生光程差形成空間序列的干涉圖，其內(nèi)部不含可動部件，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)點，并且可以實現(xiàn)對對目標(biāo)的實時性測量。目前，國內(nèi)外對這類光譜儀的開發(fā)尚處于理論研究階段，且多集中在可見近紅外波段。為滿足科學(xué)界與工業(yè)界對能實時監(jiān)測、緊湊型的紅外光譜儀的迫切需求，國內(nèi)外紛紛開展了微小型靜態(tài)紅外光譜儀方面的研究。

3 結(jié) 語

綜上所述，本文詳細(xì)調(diào)研了傅立葉變換光譜儀的研究進(jìn)展和不同類型傅立葉變換光譜儀的光譜信息獲取分析的原理，為以后的新型傅立葉變換光譜儀的研制奠定了重要的基礎(chǔ)。

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